チュートリアル

Quantum ESPRESSO
強磁性体、反強磁性体
V11.5.0
2023年4月10日

株式会社クロスアビリティ

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

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本書について•本書はWinmostar V11の使用例を示すチュートリアルです。

•初めてWinmostar V11をお使いになる方はビギナーズマニュアルを参照してください。

•

各機能の詳細を調べたい方はユーザマニュアルを参照してください。

•本書の内容の実習を希望される方は、講習会を受講ください。
– Winmostar導入講習会：基礎編チュートリアルの操作方法のみ紹介します。

– Winmostar基礎講習会：理論的な背景、結果の解釈の解説、基礎編チュートリアルの操作方法、基礎編以外のチュートリアルの一部の操作方法を紹介します。
– 個別講習会：ご希望に応じて講習内容を自由にカスタマイズして頂けます。
•本書の内容通りに操作が進まない場合は、まずよくある質問を参照してください。

•

よくある質問で解決しない場合は、情報の蓄積・管理のため、お問合せフォームに、不具合の再現方法とその時に生成されたファイルを添付しご連絡ください。

•本書の著作権は株式会社クロスアビリティが有します。株式会社クロスアビリティの許諾なく、いかなる形態での内容のコピー、複製を禁じます。
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概要
•

強磁性体の例としてFe結晶、反強磁性体の例としてNiOのSCF計算を実施し、その後バンド構造、状態密度の算出を行います（Winmostar上では連続して実行されます）。
①pw.x(calculation=scf)

②-1
pw.x
(calculation=bands)②-2
bands.x③-1
pw.x(calculation=nscf)

③-2
dos.x

注意点：
•k点の取り方、バンド数、擬ポテンシャルの種類、カットオフエネルギー、smearing幅は計算結果に影響を与えます。本チュートリアルではすぐに結果を取得できるよう、精度を落とした設定を用います。

•k点の経路（パス）は対象とする結晶構造に応じて設定し直す必要があります。各結晶構造における推奨のパスはQEのインストールディレクトリにあるDoc¥brillouin_zones.pdfを参考に設定してください。

◆ Quantum ESPRESSOの計算方法及び計算設定内容の詳しい説明は、次の弊社記事をご覧ください。https://qiita.com/xa_member

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動作環境設定•

Winmostar V11.5.0以降を利用しかつ64bit環境をご利用の方は、CygwinWM 2023/04/05バージョン以降をインストール、環境設定してください。
–•

2023/04/05バージョン以降のCygwinWMには推奨バージョンの64bit版Quantum ESPRESSOが同梱されています。

上記に該当しない場合、または推奨バージョン以外のQuantumESPRESSOを利用したい方は、別途Windows版Quantum ESPRESSOのインストールと環境設定が必要です。

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擬ポテンシャルの用意•

本チュートリアルの実施のために、擬ポテンシャルファイルの追加が必要な場合があります。

•以下のURLより周期表の[Fe]から[Fe.pbe-nd-rrkjus.UPF]をダウンロードします。

••

http://pseudopotentials.quantum-espresso.org/legacy_tables/original-qe-pp-library/
そしてツール｜環境設定の計算タブのOpen QE pseudo directoryをクリックして開くフォルダにFe.pbe-nd-rrkjus.UPFをコピーしてください。

•NiとOの擬ポテンシャルファイルはインストールマニュアルのDownload Pseudo Files機能で入手してください。
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Winmostar V11の動作モード
V11にはプロジェクトモードとファイルモードの2つの動作モードが用意されています。
本書ではプロジェクトモードでの操作方法を解説します。
ファイルモードの操作方法はV10のQuantum ESPRESSOチュートリアルを参照してください。

プロジェクトモード V11新機能
ユーザは個々のファイルを意識することなくジョブを管理できます。
基本的にこのモードを推奨します。
ファイルモード
ユーザは個々のファイルを明示的に作成、管理します。操作方法はV10以前と一緒です。

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I. 系のモデリング（Fe）•

基本的な操作方法はQE基礎編チュートリアルを参照してください。

•

初期構造の作成方法の詳細はWinmostarユーザマニュアル 5.初期構造の作成方法を参照してください。

1. Winmostarを起動し、新規プロジェクト（3次元構造を入力）をクリックします。（すでに起動している場合は先にファイル｜閉じるをクリックします。）
2. プロジェクト名に「fe_scf」と入力し保存をクリックします。
3. ファイル｜インポート｜Samplesファイル｜fe.cifをクリックします。
–

任意のファイルを読み込む場合はこの段階で代わりにファイル｜ファイルをインポートを使います。

4. ファイルをインポートダイアログで破棄して読み込みをクリックします。

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I. 系のモデリング（Fe）
1. 選択｜すべてをグループ選択をクリックします。
2. 編集｜原子の属性を変更｜電荷/スピンを変更をクリックします。
3. TypeをSpin Densityに変更しActionのOverwriteの横に「0.5」と入力しOKをクリックします。この値はWinmostarでQE実行時にstarting_magnetizationとして解釈されます。
4. 分子表示エリア下に「Charges Available: Spin (Rtot=1.00, Qrms…」と表示され、SpinDensityが設定されていることを確認します。

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II. 計算の実行（Fe）
1. ツールバーのソルバからQuantum ESPRESSOを選択しします。

(ワークフロー設定) をクリック

2. 計算時間を短縮するため、プリミティブセルに変換するか聞かれたらはいをクリックします。
分子表示エリアには変換後の構造が出現します。「格子が変換されました」と表示されたらOKをクリックします。
3. Quantum ESPRESSO Workflow Setupウィンドウで以下のように変更します。
– # of bandsを50% moreに変更– SpinをPolarizedに変更– Use Bravais-lattice indexをチェック– Pseudo fileをpz-nd-rrkjus.upfに変更– PropertiesのDOS、PDOS/Lowdin charge、Band structure、Charge Densityをチェック– Metalをチェック
4. OKをクリックし、ジョブの設定ウィンドウで適宜設定した後実行をクリックします。

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III.結果解析（Fe）

状態密度

1. 作 業 フ ォ ル ダ で work1_QE_SCF の 状 態 が END （ 青 ） に 変 化 し た 後 、 作 業 フ ォ ル ダ で
work1_QE_SCFをクリックしアクションからDensity of Statesをクリックします。
2. グラフの横軸を変更したいときはSpecify rangeにチェックを入れ、Rangeの(from)と(to)を適宜変更してからDrawをクリックしてください。

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III.結果解析（Fe）

部分状態密度、バンド構造

1. 作業フォルダでwork1_QE_SCFの状態がEND（青）に変化した後、作業フォルダでwork1_QE_SCFをクリックしアクションからProjected Density of StatesまたはBandStructureをクリックします。

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IV.系のモデリング（NiO）
1. ファイル｜閉じるをクリックし、新規プロジェクト（3次元構造を入力）をクリックします。
2. プロジェクト名に「nio_scf」と入力し保存をクリックします。
3. ファイル｜インポート｜Samplesファイル｜nio.cifをクリックします。
–

任意のファイルを読み込む場合はこの段階で代わりにファイル｜ファイルをインポートを使います。

4. ファイルをインポートダイアログで破棄して読み込みをクリックします。

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IV.系のモデリング（NiO）
1. 固体｜スーパーセルを作成をクリックし、a, b, cをそれぞれ「2」にしOKをクリックします。
2. 選択｜元素によるグループ選択をクリックし、「Ni」の行をクリックしCloseをクリックします。

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IV.系のモデリング（NiO）
1. 編集｜原子の属性を変更｜電荷/スピンを変更をクリックし、Spin Densityにチェックを入れOverwriteの右に「0.5」と入力しOKをクリックします。
2.

X軸方向から表示をクリックします。

3. 表示｜表示方向を変更｜ミラー指数を入力をクリックし、h, k, lをそれぞれ「1」「1」「2」に変更してOKをクリックします。
4. 選択｜グループ選択を解除をクリックします。

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IV.系のモデリング（NiO）
1. 下図のように3か所を連続でCtrl+ドラッグで矩形選択し、分子表示エリア左上に「GroupSelection: 16 Atoms」と表示されるのを確認します。
2. 編集｜原子の属性を変更｜電荷/スピンを変更をクリックし、Spin Densityにチェックを入れOverwriteの右に「-0.5」と入力しOKをクリックします。
3. 分子表示エリア下に「Charges Available: Spin (Qtot=0,…)」と表示されるのを確認します。

Q

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IV.系のモデリング（NiO）
1. 固体｜格子を変換をクリックし、Spin Densityにチェックを入れ「プリミティブセルに変換しますか？」と表示されたらはいをクリックします。

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V. 計算の実行（NiO）
1. Hubbard U計算の設定キーワードはQEのバージョンに依存するため、 （環境設定）をクリックし、計算タブの使用するQEのバージョンを適切に設定し、OKをクリックします。
（QE5.2.1の場合は「<6.8」、CygwinWMに同梱されているQE7.1の場合は「7.1」）

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V. 計算の実行（NiO）
1. ツールバーのソルバからQuantum ESPRESSOを選択しします。

(ワークフロー設定) をクリック

2. Quantum ESPRESSO Workflow Setupウィンドウで以下のように変更します。
– SpinをPolarizedに変更– Use Bravais-lattice indexをチェック– Pseudo fileをpbe-*rrkjus_psl.*.upfに変更– PropertiesのDOS、PDOS/Lowdin charge、Band structure、Charge densityをチェック– Metalをチェック

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V. 計算の実行（NiO）
1. Details を ク リ ッ ク し 、 Spin/DFT+U タ ブ で lda_plus_u に チ ェ ッ ク を 入 れ 、 Ni のHubbard_Uを「6.2」 （Materials Projectの値を参照）に変更しOKをクリックします。
2. OKをクリックし、ジョブの設定ウィンドウで適宜設定した後実行をクリックします。

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補足 初期値の調整
一部のケースではstarting_ns_eigenvalueを設定し初期値を調整することがあります。その場合は、Details…のOtherタブで下図のように入力します。starting_ns_eigenvalueの1, 2番目の添え字（m, ispin）は系に応じて設定し、3番目の添え字（ityp）は一度計算を実行して確かめてから設定します（同じ元素でもstarting_magnetizationが異なる場合に異なるtypとなるため）。

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VI.結果解析（NiO）

SCFエネルギー変化

1. 作業フォルダでwork1_QE_SCFをクリックしアクションからSCF Energy Changeをクリッ
クします。
2. Propertyを適宜変更しSCF計算の収束の様子を確認します。
Property=Estimated accuracy

Property=Total magnetization

Property=Total energy

Property=
Absolute magnetization

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VI.結果解析（NiO）

部分状態密度

1. 作業フォルダでwork1_QE_SCFの状態がEND（青）に変化した後、作業フォルダでwork1_QE_SCFをクリックしアクションからProjected Density of Statesをクリックします。

2. 右側の項目のチェックを適宜変更しDrawをクリックします。

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VI.結果解析（NiO）

スピン密度

1. 作業フォルダでwork1_QE_SCFの状態がEND（青）に変化した後、作業フォルダでwork1_QE_SCFをクリックしアクションからSpin Densityをクリックします。
2. Winmostar Viewerが起動し、スピン密度が描画されます。

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最後に
•

各機能の詳細を調べたい方はユーザマニュアルを参照してください。

ユーザマニュアル

Winmostar 講習会の風景•

本書の内容の 実習を希望され る方は 、Winmostar導入 講習 会 、Winmostar 基礎講習会、または個別講習会の受講をご検討ください。（詳細はP.2）•

本書の内容通りに操作が進まない場合は、まずよくある質問を参照してください。

•

よくある質問で解決しない場合は、情報の蓄積・管理のため、お問合せフォームに、不具合の再現方法とその時に生成されたファイルを添付しご連絡ください。
以上
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